Усилители радиочастоты и промежуточной частоты. Высокочастотные усилители радиочастоты Резонансный коэффициент усиления по напряжению
10.1 Назначение и основные характеристики усилителя радиочастоты
Усиление на частоте принимаемого сигнала производится с помощью усилителей радиочастоты (УРЧ). Кроме усиления должна обеспечиваться и частотная избирательность. Для этого усилители содержат резонансные элементы межкаскадной связи: одиночные колебательные контуры или системы связанных контуров.
Диапазонные УРЧ должны иметь контуры с переменной настройкой. Они чаще всего выполняются одноконтурными.
В диапазонах умеренно высоких частот активным элементом усилителя служит электронная лампа или транзистор.
На СВЧ применяются усилители с лампами бегущей волны, на туннельных диодах, параметрические и квантовые усилители.
В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэффициенту шума, УРЧ могут содержать два или более каскадов.
Основные электрические характеристики усилителей:
1. Резонансный коэффициент усиления напряжения
В полосовых усилителях резонансный коэффициент усиления определяется на средней частоте полосы пропускания.
Коэффициентом усиления по мощности называют величину отношения мощности в нагрузке к мощности, потребляемой на входе усилителя:
где - активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимости нагрузки.
Нагрузкой УРЧ чаще всего служит вход следующего каскада усилителя или преобразователя частоты.
2. Избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке. Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности.
3. Коэффициент шума, определяющий шумовые свойства усилителя.
4. Искажения сигнала в усилителе. В УРЧ искажения могут быть: нелинейные, вызываемые нелинейностью характеристики активного элемента, и линейные – амплитудно-частотные и фазо-частотные.
5. Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики, а также отсутствием склонности к самовозбуждению.
10.2 Схемы усилителя радиочастоты
В усилителях радиочастоты находят применение в основном две схемы включения активного элемента: с общим катодом (ОК) и общей сеткой (ОС) в ламповых усилителях; с общим эмиттером (ОЭ) и общей базой (ОБ) в транзисторных (биполярных) усилителях; с общим истоком (ОИ) и общим затвором (ОЗ) в каскадах на полевых транзисторах.
Усилители с общим катодом (эмиттером, истоком) в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн позволяют получить наиболее высокое усиление по мощности по сравнению с другими схемами включения.
Усилители с общей сеткой (базой, затвором) отличаются большей устойчивостью против самовозбуждения. Поэтому в дециметровом диапазоне волн ламповые усилители используются только в схеме с общей сеткой.
Транзисторные усилители с общей базой (затвором) используются и на более длинноволновых диапазонах.
Принципы построения и анализа резонансных усилителей идентичны для различных схем включения усилительных приборов, потому в основном будем рассматривать усилители с общим катодом (эмиттером, истоком).
По способу связи контура с активными элементами различают схемы с непосредственной, автотрансформаторной и трансформаторной связью.
Схемы с непосредственной связью контура используются при больших входных и выходных сопротивлениях активного элемента (например, в усилителях на электронных лампах и на полевых транзисторах).
Рисунок 10.1 Резонансный усилитель на полевом транзисторе
Рассмотрим схему резонансного усилителя на полевом транзисторе (рисунок 10.1).
Его отличие от резисторного в том, что в цепь стока включен колебательный контур, содержащий индуктивность и емкости , . Настраивается контур на резонансную частоту конденсатором переменной емкости .
На частоте резонанса контур имеет наибольшее эквивалентное активное сопротивление. При этом коэффициент усиления усилителя будет максимальным, называемым резонансным. На частотах, отличающихся от резонансной, эквивалентное сопротивление и коэффициент усиления уменьшаются, что определяет избирательные свойства усилителя.
Поскольку величина емкости конденсатора в 50 – 100 раз превышает максимальную емкость конденсатора , то резонансная частота контура определяется практически параметрами и .
В схеме применено последовательное питание стока через развязывающий фильтр и индуктивность (полевых транзисторах сток и исток можно поменять местами). Исходный режим на затворе определяется величиной падения напряжения тока истока на . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор разделительный. Резистор служит для подачи исходного напряжения на затвор.
Полевые транзисторы с изолированным затвором позволяют получить очень малую величину проходной емкости, обеспечивающую устойчивую работу усилителя даже на СВЧ, с показателями, лучшими, чем у электронных ламп.
Схемы с автотрансформаторной и трансформаторной связью контура позволяют устанавливать необходимую величину связи контура с активными элементами для достижения заданной избирательности и усиления, а также для повышения устойчивости работы усилителя.
Автотрансформаторная и трансформаторная схемы связи используются как в ламповых, так и в транзисторных усилителях, но особенно характерно их применение в усилителях на биполярных транзисторах, вследствие сравнительно малых входного и выходного сопротивлений у них даже на относительно невысоких частотах.
Рассмотрим автотрансформаторные и трансформаторные схемы связи на примере усилителей на биполярных транзисторах (рисунок 10.2, 10.3).
На рисунке10.2 приведена схема с двойной автотрансформаторной связью контура с транзисторами. Ее отличие от схемы рисунка 10.1 в том, что контур подключен к усилительным приборам с помощью отводов с коэффициентами трансформации и . Напряжение питания на коллектор подано через развязывающий фильтр и часть витков катушки индуктивности контура . Исходный режим и температурную стабилизацию обеспечивают с помощью резисторов . Емкость устраняет отрицательную обратную связь по переменному току. Конденсатор – разделительный, предотвращает попадание питающего напряжения коллектора в цепь базы.
Рисунок 10.2 Схема с двойной автотрансформаторной связью контура
На рисунке 10.3 приведена схема с трансформаторной связью.
Рисунок 10.3 Схема с трансформаторной связью
Контур имеет трансформаторную связь с коллектором транзистора данного каскада и автотрансформаторную со входом следующего. Трансформаторная связь конструктивно более удобна (более гибкая).
Общим для всех схем является двойное частичное включение контура. Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты включения (трансформации) равны единице.
10.3 Обратные связи в усилителях радиочастоты
В усилителях в целом и в отдельных его каскадах всегда образуются цепи, создающие пути для прохождения усиливаемого сигнала с выхода на вход. Эти цепи создают обратные связи .
При сильной положительной обратной связи может наступить самовозбуждение и усилитель превратится в генератор незатухающих колебаний. Если из-за обратной связи усилитель не возбуждается, но близок к самовозбуждению, то его работа будет неустойчива.
При малейшем изменении параметров усилительного прибора, например из-за изменения напряжения источника питания, температуры, будут резко меняться и усиление и полоса пропускания усилителя. Поэтому к усилителю предъявляют требование устойчивости, под которым понимают не только необходимость отсутствия самовозбуждения, но главным образом постоянство его параметров в процессе эксплуатации.
Причины образования обратных связей в усилителях:
1. Наличие внутренней обратной проводимости в усилительных приборах, связывающей входные и выходные цепи каскадов.
2. Связь через общие источники питания нескольких каскадов усиления.
3. Индуктивные и емкостные обратные связи, возникающие между монтажными проводами, катушками и другими деталями усилителя.
Обратная связь в усилителях возможна через общие цепи питания, через внешние элементы схемы, через проводимость внутренней обратной связи активного элемента. Первые два вида обратной связи, в принципе, могут быть устранены рациональным построением схемы и конструкции усилителя.
Обратная связь через общий источник питания в многокаскадных схемах, где элементом связи служит его внутреннее сопротивление, является одной из важных причин неустойчивости усилителей.
Эти обратные связи ослабляются в нужной степени введением в усилитель соответствующих развязывающих фильтров, состоящих из резисторов и емкостей , и снижением внутреннего сопротивления источника питания для переменных токов (например, шунтированием его большой емкостью).
Вредные магнитные и емкостные обратные связи устраняются рациональной конструкцией усилителя и его монтажа и экранированием основных элементов входной и выходной цепи отдельных каскадов.
Внутренняя обратная связь , принципиально присущая усилительным приборам, является главной причиной неустойчивости усилителей. Поэтому ее наличие должно учитываться при расчете усилителей.
Рассмотрим влияние внутренней обратной связи. Внутренняя обратная связь в усилителе обусловлена обратной проводимостью .
На рисунке 10.4 приведена упрощенная принципиальная схема каскада усилителя с автотрансформаторным включением контура I во входную цепь и контура II в выходную цепь усилительного прибора.
Рисунок 10.4 К вопросу о влиянии внутренней обратной связи
Предположим, что контуры I и II достаточно хорошо экранированы один от другого и в цепи питания включены блокирующие фильтры. В этом случае единственным источником обратной связи, которая может привести к самовозбуждению усилителя, будет проводимость усилительного прибора.
Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи через проводимость приводит к влиянию нагрузки и выходной проводимости усилительного прибора на его входную проводимость и изменяет ее характер.
10.4 Устойчивость работы усилителя радиочастоты
Наличие в усилительных приборах внутренней обратной связи приводит к взаимному влиянию контуров УРЧ (входного I и выходного II, рисунок4), а также к нестабильности в процессе эксплуатации основных параметров усилителя: коэффициента усиления, полосы пропускания, избирательности и др.
Причем комплексный характер проводимости и крутизны усилительного прибора приводит к сложной частотной зависимости этого влияния.
Во входной контур I вносится дополнительная проводимость, которая в общем случае имеет комплексный характер и вызывает искажение формы его частотной характеристики.
Эти искажения тем сильнее, чем больше коэффициент усиления усилителя.
Для нормальной и устойчивой работы УРЧ необходимо обеспечить малое изменение формы его частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи. Для этого необходимо определить максимальное значение коэффициента усиления каскада, при котором эти искажения еще не будут влиять на качество работы усилителя.
Подобные искажения частотной характеристики под влиянием внутренней обратной связи приводят к неустойчивости ее формы. Небольшие изменения параметров усилительного прибора, вызванные неизбежными в процессе эксплуатации изменением температуры или режима питания, приводят к изменению формы частотной характеристики.
Для того чтобы форма частотной характеристики входного контура и его полоса пропускания не сильно искажались, необходимо, чтобы вносимая обратной связью проводимость практически не влияла на полную проводимость входного контура.
Усилитель считается устойчивым (устойчиво работающим), если внутренняя обратная связь усилительного прибора незначительно изменяет форму его частотной характеристики и полосу пропускания.
Для количественной оценки степени устойчивости используется коэффициент устойчивости, который характеризует влияние внутренней обратной связи на искажение частотной характеристики входного контура.
Коэффициент устойчивости равен отношению
где - эквивалентное сопротивление, добротность и полоса пропускания входного контура без учета влияния внутренней обратной связи;
Эквивалентное сопротивления, добротность и полоса пропускания входного контура с учетом влияния внутренней обратной связи.
Таким образом, за критерий устойчивости принимается величина, которая показывает, во сколько раз изменяется добротность и полоса пропускания входного контура за счет влияния внутренней обратной связи.
Если обратные связи отсутствуют, то и .
Если же обратные связи полностью скомпенсировали потреи во входном контуре и усилитель самовозбуждается, то и .
Таким образом, коэффициент устойчивости изменяется от 0 до 1. Чем больше коэффициент устойчивости, тем дальше усилитель от состояния самовозбуждения, тем меньше искажение формы его частотной характеристики и изменение полосы пропускания.
Можно допустить изменение полосы пропускания входного контура под влиянием внутренней обратной связи на (10-20)%, для чего обычно принимают .
Многокаскадные усилители более склонны к самовозбуждению за счет проводимости , чем однокаскадные.
10.5 Искажения в усилителях радиочастоты
Усиливаемые УРЧ сигналы обычно имеют сложную форму, т.е. состоят из колебаний различных частот с различными амплитудами и фазами. УРЧ может вносить в усиливаемый сигнал следующие виды искажений: амплитудно-частотные, фазо-частотные и нелинейные.
В связи с тем, что полоса пропускания УРЧ обычно значительно шире, чем основного избирательного тракта промежуточных частот, то практически УРЧ амплитудно-частотных искажений в усиливаемый сигнал не вносит. Такие УРЧ практически не вносят и фазо-частотных искажений, поскольку они широкополосные и обычно не содержат более двух каскадов.
Исключение составляют УРЧ диапазона километровых волн (10-500 кГц).
Наибольшую опасность в УРЧ представляют нелинейные искажения. Если характеристика усилительного прибора нелинейна для области амплитуд полезного сигнала на входе УРЧ, то в нем могут возникать нелинейные искажения.
При большой амплитуде мешающих сигналов и нелинейности характеристики усилительного прибора УРЧ между полезным и мешающим сигналами возникает нелинейное взаимодействие.
В результате появляются нелинейные явления, такие, как:
Перекрестная модуляция;
Забитие полезного сигнала мешающим сигналом;
Взаимная модуляция (интермодуляция) между мешающими сигналами, частоты которых не совпадают с частотой настройки УРЧ, на продукты их взаимодействия попадают в полосу пропускания полезного сигнала или совпадают с частотами дополнительных каналов приема.
Перекрестная модуляция проявляется в том, что сигнал мешающей станции, значительно отличающийся по частоте от сигнала принимаемой станции (полезного), на частоту которой настроен УРЧ, существует на выходе УРЧ одновременно с полезным сигналом.
При прекращении работы станции, на частоту которой настроен УРЧ (пропадании полезного сигнала), мешающий сигнал полностью пропадает.
Перекрестная модуляция возникает в УРЧ при одновременном взаимодействии на его входе двух и более (полезного и мешающих) сигналов, из которых хотя бы один мешающий сигнал большой амплитуды.
Этот сигнал с большей амплитудой перемещает рабочую точку усилительного прибора на нелинейной части его характеристики со своей собственной частотой.
В результате происходит изменение крутизны характеристики усилительного прибора за счет действия сильного мешающего сигнала и перенос модуляции с мешающего сигнала на полезный.
При этом ухудшается различимость полезного сигнала, а при больших уровнях помехи прием становится невозможным.
Величина перекрестной модуляции не зависит от амплитуды полезного сигнала, поэтому ее нельзя уменьшить за счет увеличения амплитуды полезного сигнала.
В коротковолновом диапазоне уровень мешающих сигналов на входе УРЧ может достигать единиц и даже десятков вольт.
Забитием УРЧ помехой называют уменьшение усиления УРЧ и соответствующее ослабление полезного сигнала под действием мешающего сигнала близкой частоты и очень большой амплитуды.
Полосу частот, в которой наблюдается это явление, называют полосой забития.
Явление забития объясняется теми же причинами, как и перекрестная модуляция.
При очень больших амплитудах мешающих сигналов происходит не только модуляция крутизны, но и уменьшение ее среднего значения; может также резко возрастать постоянная составляющая входного тока усилительного прибора.
Взаимная модуляция (интермодуляция) происходит в усилителе радиочастоты при одновременном воздействии на его входе двух и более мешающих сигналов (например, частоты и ) большой амплитуды, выходящей за пределы линейного рабочего участка характеристики усилительного прибора.
В результате взаимодействия этих сигналов возникают комбинационные помехи вида:
Совпадающие с частотой настройки УРЧ;
Совпадающие с частотой зеркального или дополнительного каналов;
Совпадающие с промежуточной частотой приемника.
Составляющие особенно опасны, так как контур УРЧ настроен на эту частоту.
Одним из лучших методов борьбы со всеми рассмотренными видами нелинейных искажений является улучшение эффективной избирательности УРЧ.
Для этого необходимо повысить избирательность входной цепи, применять в первых каскадах УРЧ усилительные приборы с линейной характеристикой и не включать первые каскады УРЧ в систему АРУ.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ
11.1 Назначение, структурная схема и принцип работы преобразователей частоты
Преобразователем частоты называют устройство, осуществляющее перенос спектра радиосигнала из одной области частот в другую без изменения характера модуляции. Они являются частью супергетеродинного приемника. В результате преобразования получается новое значение частоты , называемой промежуточной . Частота может быть как выше, так и ниже частоты сигнала ; в первом случае происходит преобразование частоты вверх, во втором – вниз.
Как видно из диаграмм напряжений на входе и выходе ПЧ (рисунок 11.1), при преобразовании частоты закон модуляции (в данном случае – амплитудной) не нарушается, а изменяется только частота несущего колебания на выходе преобразователя.
Рисунок 11.1 Временные диаграммы напряжений на входе (а) и выходе ПЧ (б)
Спектр преобразованного колебания (рисунок 11.2) сместился по оси частот влево (для ); при этом характер спектра не изменился.
Рисунок 11.2 Спектр частот на входе (а) и выходе ПЧ (б)
Здесь - частота модулирующего колебания; и - несущие частоты для и .
Для преобразования частоты в радиоприемниках используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами .
Структурная схема преобразования частоты (рисунок 11.3) содержит преобразовательный элемент ПЭ , гетеродин Г и фильтр Ф .
Рисунок 11.3 Структурная схема ПЧ
Режим работы ПЭ периодически во времени меняется под действием напряжения гетеродина с частотой гетеродина . В результате изменяется крутизна ВАХ преобразовательного элемента, что приводит к преобразованию сигнала.
Положим, что к ПЭ со строго квадратичной ВАХ (рисунок 11.4) приложены напряжение гетеродина и некоторое начальное напряжение смещения ; при этом .
Под действием напряжения гетеродина рабочая точка ПЭ начинает периодически изменяться во времени и, как следует из рисунка 11.4, крутизна в рабочей точке также будет периодически меняться от до . Так как , то при квадратичной ВАХ зависимость крутизны от напряжения линейна.
Рисунок 11.4 Вольт-амперная характеристика ПЧ
Следовательно, при косинусоидальном напряжении крутизна изменяется также по косинусоидальному закону и содержит постоянную составляющую и первую гармонику. Тогда
где - постоянная составляющая крутизны ПЭ; - амплитуда первой гармоники крутизны ПЭ.
Ток на выходе ПЭ . Эта формула приближенная, поскольку она не учитывает ток сопротивления нагрузки.
Пусть на входе ПЭ действует сигнал , где - функции времени.
Подставив в выражение для тока значения и , получим
Используя правило перемножения косинусов, запишем
Согласно (11.1), ток на выходе ПЭ содержит составляющие трех частот: частоты сигнала , суммарной частоты и разностной частоты .
Из составляющих выходного тока используют только составляющую разностной частоты (полезная составляющая):
Фильтр на выходе преобразователя частоты выделяет только эту составляющую выходного тока, поэтому напряжение на выходе преобразователя определяется током .
Согласно (11.2), амплитуда полезной составляющей выходного тока пропорциональна амплитуде сигнала , следовательно, при преобразовании частоты закон изменения амплитуды сигнала (амплитудная модуляция) сохраняется.
Фаза тока также соответствует фазе исходного сигнала , т.е. при преобразовании частоты фазовая модуляция сохраняется.
Амплитуда тока зависит от амплитуды гармоники крутизны . При : ; (преобразования по частоте не происходит). Чем больше , тем больше , а следовательно, больше амплитуда тока и амплитуда напряжения на выходе преобразователя.
Преобразователи частоты подразделяют:
В зависимости от вида ПЭ: диодные, транзисторные, интегральные ;
В зависимости от числа ПЭ: простые (один ПЭ), балансные (два ПЭ), кольцевые (четыре ПЭ).
Если , то положение боковых полос сигнала относительно несущей частоты после преобразования частоты не изменяется (неинвертирующий преобразователь частоты ).
Если , то боковые полосы после преобразования меняются местами, нижняя становится верхней, и наоборот (инвертирующий преобразователь частоты ).
Выводы:
1. При преобразовании частоты закон модуляции входного напряжения не нарушается, а изменяется только несущая частота.
2. Для преобразования частоты используются линейные цепи с периодически меняющимися параметрами.
3. Под действием напряжения гетеродина периодически во времени меняется режим работы ПЭ, в результате чего меняется с частотой крутизна ПЭ. При этом ток на выходе ПЭ содержит помимо составляющей с частотой сигнала ряд комбинационных составляющих, одна из которых с частотой (обычно или ), выделяемая фильтром, создает напряжение на выходе преобразователя частоты.
11.2 Общая теория преобразования частоты
При анализе преобразователя частоты по аналогии с резонансными усилителями решают две задачи:
1) определяют выходное напряжение , для чего находят полезную составляющую тока промежуточной частоты, которая совпадает с резонансной частотой фильтра, после чего рассчитывают основные показатели преобразователя -–коэффициент усиления, АЧХ, ФЧХ и т.д.;
2) находят составляющую входного тока преобразователя на частоте сигнала , создающую нагрузку для источника сигнала.
Анализ проведем при следующих допущениях:
1) полагаем, что на ПЭ (рисунок 11.3) действуют три гармонических напряжения:
Напряжения на входном и выходном фильтрах создаются входными и выходными токами различных комбинационных частот. Обычно эти напряжения малы, поскольку сопротивления фильтров для комбинационных частот незначительны;
2) считаем ; , т.е. полагаем ПЭ работающим в линейном режиме относительно напряжения сигнала ; относительно напряжения гетеродина ПЭ всегда работает в нелинейном режиме;
3) ПЭ является безынерционным устройством, не содержащим емкостных и индуктивных элементов; поэтому его ток не зависит от производных или интегралов приложенных к ПЭ напряжений. Для безынерционного ПЭ входной и выходной токи определяются статическими ВАХ:
Составляющая тока не содержит полезной составляющей тока с частотой
Преобразование частоты возможно на любой гармонике крутизны:
Из этих значений используется только одно.
Если при , то преобразование частоты называется простым .
Если при , то преобразование частоты называют комбинационным ; оно возможно из-за появления гармоник крутизны.
Таким образом, из всех составляющих выходного тока только одна с частотой является полезной:
где соответствует (только при составляющая тока имеет промежуточную частоту).
В выражении (11.8) первое слагаемое характеризует преобразование частоты, второе – реакцию фильтра.
Крутизна прямого преобразования по определению крутизны при . Согласно (11.8),
где - коэффициент пропорциональности между амплитудой выходного тока промежуточной частоты и амплитудой напряжения сигнала на входе при короткозамкнутом выходе ПЭ.
Внутренняя проводимость преобразователя частоты по определению, при . Согласно (7.8), внутренняя проводимость преобразователя равна постоянной составляющей внутренней проводимости ПЭ:
Внутренний коэффициент усиления преобразователя
С учетом принятых обозначений
11.3 Частотная характеристика преобразователя
Под АЧХ преобразователя частоты понимают зависимость его коэффициента передачи от частоты входного сигнала при фиксированной частоте гетеродина; частота сигнала изменяется в широких пределах.
Пусть в качестве фильтра преобразователя используется одиночный резонансный контур, настроенный на частоту (рисунок 11.5).
Рисунок 11.5 Эквивалентная схема ПЧ
С изменением при фиксированном значении промежуточная частота меняется.
Рисунок 11.6 Графические зависимости
Графические зависимости , построенные согласно (7.7), показаны на рисунке 11.6,а . При ; при и т.д.
Таким образом, различным значениям соответствуют различные значения , причем значение зависит от номера гармоники крутизны, на которой происходит преобразование частоты. Напряжение на выходном контуре преобразователя появится только при выполнении условия резонанса, т.е. при .
Согласно рисунок6а , условие резонанса выполняется не на одной частоте сигнала, а на нескольких частотах ; следовательно, АЧХ преобразователя имеет несколько подъемов. Каждому подъему соответствует определенная полоса пропускания, через которую на выход приемника могут проходить составляющие спектра сигнала и помех. Такие полосы пропускания называют каналами приема . Каждый канал соответствует своей частоте сигнала. АЧХ преобразователя показана на рисунок60б , форма АЧХ каждого канала зависит от вида фильтра ПЧ.
11.4 Диодные преобразователи частоты
УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА |
| Рубрика (тематическая категория) | Связь |
Усиление принимаемых радиосигналов в приемном устройстве осуществляется в его преселекторе, ᴛ.ᴇ. на радиочастоте, и после преобразователя частоты - на промежуточной частоте. Соответственно различают усилители радиочастоты (УРЧ) и усилители промежуточной частоты (УПЧ). В этих усилителях, вместе с усилением должна обеспечиваться частотная избирательность приемника. Для этого усилители содержат резонансные цепи: одиночные колебательные контуры, фильтры на связанных контурах, различные типы фильтров сосредоточенной избирательности. Усилители радиочастоты с переменной настройкой обычно выполняют с избирательной системой, аналогичной примененной во входной цепи приемника, чаще всего это одноконтурные избирательные цепи.
В усилителях промежуточной частоты находят применение сложные типы избирательных систем, обладающие АЧХ близкими к прямоугольным, такие, как электромеханические фильтры (ЭМФ), кварцевые фильтры (КФ), фильтры на поверхностных (объемных) акустических волнах (ПАВ, ПОВ) и др.
В большинстве современных приемников используют однокаскадные УРЧ. Реже, при высоких требованиях к избирательности и коэффициенту шума, УРЧ могут содержать до трех каскадов.
К числу базовых электрических характеристик усилителей относятся:
1.Резонансный коэффициент усиления напряжения .
На сверхвысоких частотах (СВЧ) чаще применяют понятие коэффициента усиления по мощности,где - активная составляющая входной проводимости усилителя; - активная составляющая проводимость нагрузки.
2.Частотная избирательность усилителя показывает относительное уменьшение усиления при заданной расстройке.
Иногда избирательность характеризуют коэффициентом прямоугольности, к примеру, .
3.Коэффициент шума определяет шумовые свойства усилителя.
4.Искажения сигнала в усилителе : амплитудно-частотные, фазовые, нелинейные.
5.Устойчивость работы усилителя определяется его способностью сохранять в процессе эксплуатации основные характеристики (обычно К о и АЧХ), а также отсутствие склонности к самовозбуждению.
На рис.1-3 приведены основные схемы УРЧ, а на рис.4 схема УПЧ с фильтром сосредоточения избирательности (ФСИ) в виде электромеханического фильтра.
Рис.1. УРЧ на полевом транзисторе
Рис.2. УРЧ на биполярном транзисторе
Рис.3. УРЧ с индуктивной связью с избирательной системой
Рис.4. УПЧ с фильтром сосредоточенной избирательности
В усилителях радиочастоты и промежуточной частоты, в основном применяют два варианта включения усилительного прибора: с общим эмиттером (общим истоком) и каскодную схему включения транзисторов.
На рис.1 приведена схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком. В цепь стока включен колебательный контур L К С К. Контур настраивается конденсатором С К (может применяться для настройки контура варикап или варикапная матрица).
В усилителе применено последовательное питание стока через фильтр R3C3 . Напряжение смещения на затворе VT1 определяется падением напряжения от тока истока на резисторе R2 . Резистор R1 является сопротивлением утечки транзистора VT1 и служит для передачи напряжения смещения на затвор транзистора.
На рис. 2 приведена аналогичная схема УРЧ на биполярном транзисторе. Здесь применено двойное неполное включение контура с транзисторами VT1, VT2,что позволяет обеспечить крайне важно е шунтирование контура со стороны выхода транзистора VT1и со стороны входа транзистора VT2. Напряжение питания на коллектор транзистора подано через фильтр R4C4 ичасть витков катушки контура L К. Режим по постоянному току и температурная стабилизация обеспечивается с помощью резисторов R1,R2 и R3. Емкость С2 устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.
На рис. 3 показана схема с трансформаторной связью контура с коллектором транзистора и автотрансформаторной связью со входом следующего каскада. Обычно, в данном случае, применяют, "удлиненную" настройку контура (см. лаб. работу №1).
На рис. 4 представлена схема каскада УПЧ с ФСИ, выполненного на микросхеме 265 УВЗ. Микросхема представляет собой каскодный усилитель ОЭ - ОБ.
Усилители промежуточной частоты обеспечивают основное усиление и селективность приемника по соседнему каналу. Их важной особенностью является то, что они работают на фиксированной промежуточной частоте и имеют большое усиление, порядка.
При использовании различных типов ФСИ, требуемое усиление УПЧ достигается применением широкополосных каскадов.
Общим для всех схем является двойное неполное включение избирательной системы. (Полное включение можно рассматривать как частный случай, когда коэффициенты трансформации m и n равны единице). По этой причине для анализа можно использовать одну обобщенную эквивалентную схему замещения усилителя (см. рис.5).
Рис.5. Обобщенная эквивалентная схема резонансного усилителя
На схеме транзистор со стороны выхода заменен эквивалентным генератором тока с параметрами, и током, а со стороны входа следующего каскада проводимостью, . Резистор утечки R4 (рис.1) или делитель (рис.2) заменены проводимостью (или).
Обычно сумму проводимостей считают проводимостью нагрузки GН , ᴛ.ᴇ.
Анализ эквивалентной схемы позволяет получить все расчетные соотношения для определения характеристик каскада .
Так, комплексный коэффициент усиления каскада определяется выражением
эквивалентная резонансная проводимость контура;
Обобщенная расстройка контура.
Из данного соотношения легко определить модуль коэффициента
усиления
и резонансный коэффициент усиления каскада УРЧ
Резонансный коэффициент усиления достигает своего максимального значения при одинаковом шунтировании контура со стороны выхода активного прибора и со стороны нагрузки (входа следующего каскада), ᴛ.ᴇ. когда
Приведенные соотношения позволяют получить уравнение резонансной кривой усилителя. Так, при малых расстройках, . Откуда, полоса пропускания УРЧ поуровню 0,707 (- 3дБ) равна
Резонансный коэффициент усиления одноконтурного каскада УПЧ такой же, как и у одноконтурного УРЧ
Для УПЧ с двухконтурным полосовым фильтром резонансный коэффициент усиления каскада определяется выражением
где - фактор связи между контурами, а - коэффициент связи между контурами.
Коэффициент усиления (по напряжению) УПЧ с любым ФСИ при согласовании фильтра на входе и выходе должна быть рассчитан по формуле
Здесь, - характеристические (волновые) сопротивления ФСИ по входу и выходу соответственно;
Коэффициент передачи фильтра в полосе прозрачности (пропускания).
В том случае, в случае если известно затухание фильтра в полосе прозрачности вдецибелах, то
Коэффициенты включения m и n вычисляются из условия согласования фильтра на входе и выходе
Резонансная характеристика каскада УПЧ с ФСИ полностью определяется кривой изменения коэффициента передачи ФСИ от частоты. Отдельные точки резонансной кривой ФСИ задаются в справочниках.
Коэффициент усиления избирательного усилителя не должен превышать величины коэффициента устойчивого усиления. В общем случае, можно оценить из выражения
В случае если в качестве усилительного элемента используется каскодная схема, то крайне важно подставить соответствующие значения проводимостей для каскодной схемы к примеру, для схемы ОЭ – ОБ
В случае использования полевых транзисторов активной составляющей проводимости можно пренебречь и
УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "УСИЛИТЕЛИ РАДИОЧАСТОТЫ И ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА" 2017, 2018.
Усилитель радиочастоты (УРЧ)
Усилителем радиочастоты (УРЧ) называется каскад, осуществляющий усиление принимаемых сигналов на их собственных частотах, без изменения спектра.
Функции УРЧ:
Обеспечение усиления сигнала по мощности или по напряжению
Обеспечение эффективной частотной избирательности РПУ
Обеспечение защиты цепи антенны от проникновения частоты гетеродина (в случае проникновения частоты гетеродина в цепи антенны, РПУ начинает работать как маломощный передатчик и будет создавать помехи близко расположенным РПУ).
План выполнения работы по этапу
Выбор схемы усилителя радиочастоты и его обоснование
Электрический расчет параметров элементов контура
Подбор параметров сопротивлений и емкостей
Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep
Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point
Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep
Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20 до +60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep
Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo
Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero
Выбор схемы усилителя радиочастоты
В качестве УРЧ я выбираю схему с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах, потому что такая схема обладает высоким входным сопротивлением, и не будет оказывать нежелательного влияния на входную цепь и антенну. Будет хорошо согласоваться с входной цепью с емкостной связью. Схема также не содержит трансформаторов
Схема УРЧ с автотрансформаторной связью на полевых транзисторах приведена на рисунке 2.2.1.
Рисунок 2.2.1 - Схема УРЧ с трансформаторной связью на полевых транзисторах.
Электрический расчет параметров элементов контура
Для схем УРЧ с автотрансформаторной связью должны выполняться следующие соотношения:
где Сf в нФ, fmin в МГц, в Rf кОм. Rf обычно выбирают в пределах 0,2-3,0 кОм.
Я возьму Rf =2 кОм. Следовательно, теперь я могу рассчитать Cf:
В итоге, я получил: Cf = 320 пФ, Rf=2 кОм
Подбор параметров элементов сопротивления и емкостей с учетом варианта задания
В качестве значения переменной емкости С я взял 100 пФ. Это значение соответствует резонансной частоте 3,2 МГц, поэтому мне нужно будет подобрать элементы схемы так, чтобы максимум АЧХ находился на этой частоте.
Экспериментально подобранные параметры:
L1a = 3,1 мГн; L1b = 3,1 мГн; R = 50 Ом; Rn = 3 кОм; С= 100 пФ
На рисунке 2.2.2 приведена АЧХ усилителя при подобранных значениях элементов
Рисунок 2.2.2 - АЧХ усилителя (при С=100 пФ)
приемник цепь частотный
Определение оптимальной величины напряжения источника питания Е с применением функции Parameter Sweep
Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2.3 и в таблице 2.2.1.
Рисунок 2.2.3 - Изменение параметров устройства
Таблица 2.2.1 - Значения напряжения источника питания
Проанализировав семейство графиков я увидел, что увеличивать напряжение Е больше чем 20 В не имеет смысла (при этом напряжении находится максимум АЧХ из всего семейства), т.к. это не приводит к дальнейшему увеличению максимума АЧХ. Поэтому я беру значение напряжения источника E равным 20 В.
Определение режимов элементов схемы по постоянному току с применением функции DC Operating Point.
Результат анализа схемы с помощью функции DC Operation Point отражен в таблице 2.2.2. В этой таблице отражены значения всех токов и напряжений различных узлов схемы УРЧ. Получены значения напряжений во всех узлах схемы, при закороченных индуктивностях и разорванных емкостях.
Таблица 2.2.2 - результат анализа по постоянному току
Измерение АЧХ усилителя во всем диапазоне изменения емкости переменного конденсатора С с применением функции Parameter Sweep
В моем случае значение емкости будет изменяться от 32 до 100 пФ. При этом должна меняться резонансная частота УРЧ в рабочем диапазоне 3,2 - 7,5 МГц. Семейство АЧХ УРЧ при различных значениях емкости С приведено на рисунке 2.2.4.
Рисунок 2.2.4 - АЧХ усилителя при различных значениях емкости С
Анализ влияния температуры окружающей среды в диапазоне от -20до+60 на АЧХ усилителя с применением функции Temperature Sweep
Мне нужно посмотреть, как будет влиять изменение температуры на АЧХ усилителя. Семейство АЧХ для различных значений температур приведено на рисунке 2.2.5.
Рисунок 2.2.5 - Семейство АЧХ усилителя при различных значениях температуры.
Как видно из графика, температура практически не оказывает влияния на АЧХ усилителя, поэтому все графики наложились друг на друга и их невозможно различить. Это говорит о том, что изменение температуры не будет приводить к нарушению работы схемы.
Статистический анализ влияния производственных допусков элементов усилителя на его АЧХ с применением функций Worst Сase и Monte Carlo
Мне нужно будет рассмотреть, как будут влиять производственные допуски элементов на АЧХ усилителя. Рисунок 2.2.6 иллюстрирует, как будет изменяться АЧХ при допуске на элементы в 4%. Это я делаю с помощью функции Monte Carlo. Описание прохода отражено в таблице 2.2.3.
Рисунок 2.2.6 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Monte Carlo
Таблица 2.2.3 - описание анализа Монте-Карло
Проанализировав эти данные, можно сделать вывод, что допуск элементов в 4% недопустим и оказывает значительное влияние на АЧХ усилителя.
Анализ схемы при помощи функции Worst Case отображен на рисунке 2.2.7, описание прохода проведено в таблице 2.2.4.
Рисунок 2.2.7 - Анализ влияния допусков элементов на АЧХ усилителя с помощью функции Worst Case.
Таблица 2.2.4 - Описание проходов анализа Worst Case
Проанализировав графики можно сделать вывод, что допуск элементов 1% практически не влияет на АЧХ усилителя и его резонансную частоту. Поэтому допуск в 1% допустим для данной схемы.
Анализ устойчивости усилителя с применением функции Pole-Zero
Нули и полюса передаточной функции представлены в таблице 2.2.5. Из этой таблицы видно, что нули и полюса имеют отрицательную вещественную часть, следовательно, система является устойчивой.
Таблица 2.2.5 - результат анализа нулей и полюсов
Выводы по разделу:
Перестройка частоты осуществляется конденсатором переменной емкости таким же, что используется во входной цепи. Полученный УРЧ отвечает всем необходимым требованиям, его характеристики не зависят от температуры в заданном диапазоне, почти не зависят от напряжения питания, следовательно, требования к источнику питания не строгие. Кроме того УРЧ был проверен на устойчивость, было оценено влияние допусков элементов на АЧХ усилителя.
Апериодические УРЧ увеличивают лишь отношение сигнал/шум и чувствительность приемника. Наиболее часто их применяют в транзисторных приемниках прямого усиления на ДВ- и СВ-диапазонах; В качестве нагрузки апериодических УРЧ может
Рис.9. Схемы апериодических каскадов усилителей радиочастоты:
а) – резисторная; б) – трансформаторная.
служить дроссель, резистор или трансформатор. Резисторный каскад УРЧ (рис. 9. а ) прост в исполнении и настройке. В трансформаторных УРЧ (рис. 9.б ) облегчается согласование выхода одного каскада с входом последующего. Кроме того, трансформаторный каскад УРЧ можно легко переделать в рефлексный.
Резонансные УРЧ, обеспечивают усиление сигнала и повышают не только реальную чувствительность, но и избирательность по зеркальному каналу. Транзисторные резонансные УРЧ в диапазонах ДВ, СВ и KB собирают по схеме с ОЭ (рис. 10 ), а в УКВ-диапазоне - по схеме с ОБ.
Каскады УРЧ могут содержать один или два резонансных контура. Усилитель радиочастоты с одним контуром дает меньшее усиление, но более прост в изготовлении и настройке. Схемы с индуктивной связью контуров позволяют изменять связь и получать наибольшее усиление или лучшую избирательность. Изменением связи по диапазону можно несколько компенсировать неравномерность коэффициента передачи входных цепей.
Усилители радиочастоты УКВ-диапазона выполняют по каскадным схемам. Они имеют лучшие характеристики, чем обычные УРЧ.
По усилению каскодный усилитель эквивалентен одно каскадному усилителю с проводимостью прямой передачи первого транзистора и нагрузкой второго. Каскодная схема используется в усилителях диапазона метровых волн. Первый каскад схемы выгодно выполнять на полевом транзисторе, обладающем низким уровнем шумов и малой активной входной проводимостью, при этом будет меньше шунтироваться избирательная система приемника, включенная на входе каскодного усилителя. Во втором каскаде предпочтителен дрейфовый транзистор, включаемый по схеме с ОБ и обеспечивающий наибольший устойчивый коэффициент усиления.
Рис.10. Каскад усилителя радиочастоты.
При таком выполнении каскодной схемы усилителя повышается его коэффициент устойчивого усиления, существенно снижается уровень шумов, повышается избирательность тракта радиосигнала приемника, что является их преимуществом. Аналогичными преимуществами обладают каскодные схемы (низкий уровень шумов и высокий коэффициент устойчивого усиления) на электронных лампах, обычно триодах, включаемых по схеме общий катод - общая сетка.
Принцип супергетеродинного приема.
Детектирование и усиление сигналов низкой частоты.
Усилитель звуковой частоты или усилитель низкой частоты, что бы разобраться как он всё таки работает и зачем там так много всяких транзисторов, резисторов и конденсаторов, нужно понять как работает каждый элемент и попробовать узнать как эти элементы устроены. Для того что бы собрать примитивный усилитель нам понадобятся три вида электронных элементов: резисторы, конденсаторы и конечно транзисторы.
Резистор
Итак, резисторы у нас характеризуются сопротивлением электрическому току и это сопротивление измеряется в Омах. Каждый электропроводящий металл или сплав металлов имеют своё удельное сопротивление . Если мы возьмём проволоку определённой длинны с большим удельным сопротивлением, то у нас получится самый настоящий проволочный резистор. Для того что бы резистор был компактным, проволоку можно намотать на каркас. Таким образом у нас получится проволочный резистор, но он имеет ряд недостатков, поэтому резисторы обычно изготавливаются из металлокерамического материала. Вот так обозначаются резисторы на электрических схемах:Верхний вариант обозначения принят в США, нижний в России и в Европе.
Конденсатор
Конденсатор представляет из себя две металлических пластины разделённые диэлектриком . Если мы подадим на эти пластины постоянное напряжение, то появится электрическое поле, которое после отключения питания будет поддерживать на пластинах положительный и отрицательный заряды соответственно.
Основа конструкции конденсатора - две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик
Таким образом конденсатор способен накапливать электрический заряд. Эта способность накапливать электрический заряд называется электрическая ёмкость , что есть главный параметр конденсатора. Электрическая ёмкость измеряется в Фарадах. Что ещё характерно, это то что когда мы заряжаем или разряжаем конденсатор, через него идёт электрический ток. Но как только конденсатор зарядился, он перестаёт пропускать электрический ток, а это потому что конденсатор принял заряд источника питания, то есть потенциал конденсатора и источника питания одинаковые, а если нет разности потенциалов (напряжения), нет электрического тока. Таким образом, заряженный конденсатор не пропускает постоянный электрический ток, но пропускает переменный ток, так как при подключении его к переменному электрическому току, он будет постоянно заряжаться и разряжаться. На электрических схемах его обозначают так:
Транзистор
В нашем усилителе мы будем использовать самые простые биполярные транзисторы . Транзистор изготавливают из полупроводникового материала . Нужное для нас свойство это материала, - наличие в них свободных носителей как положительных, так и отрицательных зарядов. В зависимости от того каких зарядов больше, полупроводники различают на два типа по проводимости: n -тип и p -тип (n-negative, p-positive). Отрицательные заряды - это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные - так называемые дырки. Дырки - это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. Условно обозначим атомы с электроном на на внешней орбите синим кружком со знаком минус, а атомы с вакантным местом - пустым кружком:
Каждый биполярный транзистор состоит из трёх зон таких полупроводников, эти зоны называют база, эмиттер и коллектор.
Рассмотрим пример работы транзистора. Для этого подключим к транзистору две батарейки на 1,5 и на 5 вольт, плюсом к эмиттеру, а минусом к базе и коллектору соответственно (смотрим рисунок):
На контакте базы и эмиттера появится электромагнитное поле, которое буквально вырывает электроны с внешней орбиты атомов базы и переносит их в эмиттер. Свободные электроны оставляют за собой дырки, и занимают вакантные места уже в эмиттере. Это же электромагнитное поле оказывает такое же воздействие на атомы коллектора, а так как база в транзисторе достаточно тонкая относительно эмиттера и коллектора, электроны коллектора достаточно легко проходят сквозь неё в эмиттер, причём в гораздо большем количестве чем из базы.
Если же мы отключим напряжение от базы, то никакого электромагнитного поля не будет, а база будет выполнять роль диэлектрика, и транзистор будет закрыт. Таким образом при подаче на базу достаточно малого напряжения, мы можем контролировать большее поданное напряжение на эмиттер и коллектор.
Рассмотренный нами транзистор pnp
-типа, так как у него две p
-зоны и одна n
-зона. Так же существуют npn
-транзисторы, принцип действия в них такой же, но электрический ток течёт в них в противоположную сторону, чем в рассмотренном нами транзисторе. Вот так биполярные транзисторы обозначаются на электрических схемах, стрелка указывает направление тока:
УНЧ
Ну что ж, попробуем спроектировать из этого всего усилитель низкой частоты. Для начала нам нужен сигнал который мы будем усиливать, это может быть звуковая карта компьютера или любое другое звуковое устройство с линейным выходом. Допустим наш сигнал с максимальной амплитудой примерно 0,5 вольта при токе 0,2 А, примерно такой:
А что бы заработал самый простой 4-х омный 10 ваттный динамик, нам нужно увеличить амплитуду сигнала до 6 вольт, при силе тока I = U / R = 6 / 4 = 1,5 A.
Итак, попробуем подключить наш сигнал к транзистору. Вспомните нашу схему с транзистором и двумя батарейками, теперь вместо 1,5 вольтовой батарейки у нас у нас сигнал линейного выхода. Резистор R1 выполняет роль нагрузки, дабы не было короткого замыкания и наш транзистор не сгорел.
Но тут возникают сразу две проблемы, во-первых наш транзистор npn -типа, и открывается только при положительном значении полуволны, а при отрицательном закрывается.
Во-вторых транзистор, как и любой полупроводниковый прибор имеет нелинейные характеристики в отношении напряжения и тока и чем меньше значения тока и напряжения тем сильнее эти искажения:
Мало того что от нашего сигнала осталась только полуволна, так она ещё и будет искажена:
Это есть так называемое искажение типа ступенька.
Чтобы избавиться от этих проблем, нам нужно сместить наш сигнал в рабочую зону транзистора, где поместится вся синусоида сигнала и нелинейные искажения будут незначительны. Для этого подают на базу напряжение смещения, допустим в 1 вольт, с помощью составленного из двух резисторов R2 и R3 делителя напряжения.
А наш сигнал входящий в транзистор будет выглядеть вот так:
Теперь нам нужно изъять наш полезный сигнал с коллектора транзистора. Для этого установим конденсатор C1:
Как мы помним конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, поэтому он нам будет служить фильтром пропускающим только наш полезный сигнал - нашу синусоиду. А постоянная составляющая не прошедшая через конденсатор будет рассеиваться на резисторе R1. Переменный же ток, наш полезный сигнал, будет стремиться пройти через конденсатор, так сопротивление конденсатора для него ничтожно мало по сравнению с резистором R1.
Вот и получился первый транзисторный каскад нашего усилителя. Но существуют ещё два маленьких нюанса:
Мы не знаем на 100% какой сигнал входит в усилитель, вдруг всё таки источник сигнала неисправен, всякое бывает, опять же статическое электричество или вместе с полезным сигналом проходит постоянное напряжение. Это может стать причиной не правильной работы транзистора или даже спровоцировать его поломку. Для этого установим конденсатор С2, он подобно конденсатору С1 будет блокировать постоянный электрический ток, а так же ограниченная ёмкость конденсатора не будет пропускать пики большой амплитуды, которые могут испортить транзистор. Такие скачки напряжения обычно происходят при включении или отключении устройства.
И второй нюанс, любому источнику сигнала требуется определённая конкретная нагрузка (сопротивление). По этому для нас важно входное сопротивление каскада. Для регулировки входного сопротивления добавим в цепь эмиттера резистор R4:
Теперь мы знаем назначение каждого резистора и конденсатора в транзисторном каскаде. Давайте теперь попробуем рассчитать какие номиналы элементов нужно использовать для него.
Исходные данные:
- U = 12 В - напряжение питания;
- U бэ ~ 1 В - Напряжение эмиттер-база рабочей точки транзистора;
- P max = 200 мВт - максимальная рассеиваемая мощность;
- I max = 100 мА - максимальный постоянный ток коллектора;
- U max = 18 В - макcимально допустимое напряжение коллектор-база / коллектор-эмиттер (У нас напряжение питания 12 В, так что хватает с запасом);
- U эб = 5 В - макcимально допустимое напряжение эмиттер-база (наше напряжение 1 вольт ± 0,5 вольта);
- h21 = 75-225 - коэффициент усиления тока базы, принимается минимальное значение - 75;
- Рассчитываем максимальную статическую мощность транзистора, её берут на 20% меньше максимальной рассеиваемой мощности, дабы наш транзистор не работал на пределе своих возможностей:
P ст.max = 0,8*P max = 0,8 * 200мВт = 160 мВт;
- Определим ток коллектора в статическом режиме (без сигнала), не смотря на что на базу не подаётся напряжение через транзистор всё равно в малой степени протекает электрический ток.
I к0 = P ст.max / U кэ , где U кэ - напряжение перехода коллектор-эмиттер. На транзисторе рассеивается половина напряжения питания, вторая половина будет рассеиваться на резисторах:
U кэ = U / 2;
I к0 = P ст.max / (U / 2) = 160 мВт / (12В / 2) = 26,7 mA;
- Теперь рассчитаем сопротивление нагрузки, изначально у нас был один резистор R1, который выполнял эту роль, но так как мы добавили резистор R4 для увеличения входного сопротивления каскада, теперь сопротивление нагрузки будет складываться из R1 и R4:
R н = R1 + R4 , где R н - общее сопротивление нагрузки;
Отношение между R1 и R4 обычно принимается 1 к 10:
R1 = R4 *10;
Рассчитаем сопротивление нагрузки:
R1 + R4 = (U / 2) / I к0 = (12В / 2) / 26,7 mA = (12В / 2) / 0,0267 А = 224,7 Ом;
Ближайшие номиналы резисторов это 200 и 27 Ом. R1 = 200 Ом, а R4 = 27 Ом.
- Теперь найдем напряжение на коллекторе транзистора без сигнала:
U к0 = (U кэ0 + I к0 * R4 ) = (U - I к0 * R1 ) = (12В -0,0267 А * 200 Ом) = 6,7 В;
- Ток базы управления транзистором:
I б = I к / h21 , где I к - ток коллектора;
I к = (U / R н );
I б = (U / R н ) / h21 = (12В / (200 Ом + 27 Ом)) / 75 = 0,0007 А = 0,07 mA;
- Полный ток базы определяется напряжением смещения на базе, которое устанавливается делителем R2
и R3
. Ток задаваемый делителем должен быть в 5-10 раз больше тока управления базы (I б
), что бы собственно ток управления базы не влиял на напряжение смещения. Таким образом для значения тока делителя (I дел
) принимаем 0,7 mA и рассчитываем R2
и R3
:
R2 + R3 = U / I дел = 12В / 0,007 = 1714,3 Ом
- Теперь рассчитаем напряжение на эмиттере в состоянии покоя транзистора (U э
):
U э = I к0 * R4 = 0,0267 А * 27 Ом = 0,72 В
Да, I к0 ток покоя коллектора, но этот же ток проходит и через эмиттер, так что I к0 считают током покоя всего транзистора.
- Рассчитываем полное напряжение на базе (U б
) с учётом напряжения смещения (U см
= 1В):
U б = U э + U см = 0,72 + 1 = 1,72 В
Теперь с помощью формулы делителя напряжения находим значения резисторов R2 и R3 :
R3 = (R2 + R3 ) * U б / U = 1714,3 Ом * 1,72 В / 12 В = 245,7 Ом;
Ближайший номинал резистора 250 Ом;
R2 = (R2 + R3 ) - R3 = 1714,3 Ом - 250 Ом = 1464,3 Ом;
Номинал резистора выбираем в сторону уменьшения, ближайший R2 = 1,3 кОм.
- Конденсаторы С1 и С2 обычно устанавливают не менее 5 мкФ. Ёмкость выбирается такой что бы конденсатор не успевал перезаряжаться.
Заключение
На выходе каскада мы получаем пропорционально усиленный сигнал и по току и по напряжению, то есть по мощности. Но одного каскада нам не хватит для требуемого усиления, так что придётся добавлять следующий и следующий… И так далее.Рассмотренный расчёт довольно поверхностный и такая схема усиления конечно же не используется в строении усилителей, мы не должны забывать о диапазоне пропускаемых частот, искажениях и многом другом.
